核級電磁閥線圈壽命評估方法

1、    核級電磁閥線圈壽命評估方法    汪亮 云浩 高軒 黃遠(yuǎn) 張益舟摘 要針對核級電磁閥線圈，分析主要部件構(gòu)成及老化機(jī)理，梳理能夠表征電磁閥線圈可靠性的老化敏感參數(shù)，包括外觀狀況、直流電阻、線圈匝間絕緣電阻、絕緣硬度、氧化誘導(dǎo)時(shí)間等。針對梳理出的老化敏感參數(shù)，給出對應(yīng)的性能檢測及壽命評估方法，并用試驗(yàn)實(shí)例說明上述方法的可靠性。最后，給出核電廠電磁閥線圈的老化管理行動(dòng)建議。關(guān)鍵詞核級電磁閥線圈;老化機(jī)理;敏感參數(shù);性能檢測;壽命評估： v433.9              

2、60;     ： adoi：10.19694/ki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 620 引言電磁閥線圈作為典型的儀控元件，廣泛地用于核電控制系統(tǒng)中，部分核級電磁閥線圈對核電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，如主蒸汽系統(tǒng)、主給水系統(tǒng)、換料系統(tǒng)的電磁閥線圈。電磁閥線圈隨著服役時(shí)間的增加將出現(xiàn)老化降質(zhì)，若發(fā)生非預(yù)期失效將影響核電廠的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)、停堆，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要監(jiān)測核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)，在其失效前及時(shí)采取糾正性行動(dòng)措施，避免造成停機(jī)、停堆或重大經(jīng)濟(jì)損失事件。目前針對電磁閥線圈的檢查措施少有報(bào)道，主要管理

3、措施為外觀檢查或失效后更換，屬于被動(dòng)老化行動(dòng)管理，不能積極預(yù)防電磁閥線圈的失效。鑒于此，文章總結(jié)了電磁閥線圈的主要老化機(jī)理，提出了一系列性能測試方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證各種性能測試方法的效果，獲取電磁閥線圈的敏感性能指標(biāo)，為核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)監(jiān)測提供參考。1 電磁閥線圈的老化機(jī)理1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成電磁閥線圈主要由漆包線、塑封外殼、絕緣導(dǎo)線等部件構(gòu)成。漆包線纏繞在塑封外殼內(nèi)，末端連接絕緣導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線連接外部控制電源。電磁閥線圈整體安裝在電磁閥基座上，通過電磁力控制閥體的移動(dòng)從而控制氣體或液體的流動(dòng)。1.2 老化機(jī)理根據(jù)電磁閥線圈的結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作環(huán)境，導(dǎo)致電磁閥線圈老化的主要因素依次如下。1.2

4、.1 環(huán)境高溫環(huán)境高溫包含周圍環(huán)境高溫加上電磁閥線圈的歐姆熱自溫升，在環(huán)境高溫下，漆包線絕緣、塑封外殼、連接導(dǎo)線等絕緣物質(zhì)容易發(fā)生老化降級，甚至開裂。1.2.2 長時(shí)間勵(lì)磁長時(shí)間勵(lì)磁可能導(dǎo)致線圈漆包線薄弱點(diǎn)產(chǎn)生局部剩余電流，進(jìn)一步使薄弱點(diǎn)溫度升高，直至線圈斷開。1.2.3 浪涌電流沖擊電磁閥的啟停存在浪涌電流沖擊，尤其是頻繁啟動(dòng)電磁閥，浪涌沖擊將導(dǎo)致線圈漆包線薄弱點(diǎn)降級，甚至發(fā)生電擊穿。1.2.4 振動(dòng)疲勞電磁閥線圈運(yùn)行過程中由于流體的流動(dòng)發(fā)生振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致電磁閥線圈承受振動(dòng)疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致塑封外殼、絕緣導(dǎo)線端部降級，甚至開裂。2 敏感參數(shù)及測量方法根據(jù)電磁閥線圈的構(gòu)成及工作原理，可設(shè)置以下敏感性

5、能參數(shù)。2.1 外觀狀況外觀狀況是指電磁閥線圈各部件的外觀結(jié)構(gòu)，部件老化后將會(huì)出現(xiàn)微小裂紋、材料損失、或者氧化等現(xiàn)象。外觀狀況通過高倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行拍照記錄。2.2 直流電阻直流電阻指線圈漆包線的直流電阻，漆包線隨著老化的進(jìn)行，直流電阻將會(huì)呈現(xiàn)趨勢性變化。直流電阻通過高精度數(shù)字電表測量絕緣導(dǎo)線的兩端得到1，所有測量結(jié)果需在相同實(shí)驗(yàn)室溫度進(jìn)行或者換算至基準(zhǔn)溫度。2.3 線圈溫升線圈溫升指電磁閥線圈通電后的歐姆熱自溫升，線圈老化至壽命末期，線圈溫升將升高。線圈溫升通過高準(zhǔn)確紅外熱成像儀或點(diǎn)溫儀測量2。2.4 阻抗譜阻抗譜指線圈漆包線的交流阻抗譜，漆包線隨著老化的進(jìn)行，阻抗譜在敏感頻率下將呈現(xiàn)趨

6、勢變化。阻抗譜通過阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量得到。2.5 絕緣硬度絕緣硬度指絕緣表面的抗擠壓性能，隨著絕緣材料的老化降級，其表面硬度會(huì)呈現(xiàn)趨勢變化。絕緣硬度可通過硬度計(jì)或者壓縮模量儀測試得到3。2.6 氧化誘導(dǎo)時(shí)間氧化誘導(dǎo)時(shí)間指高分子物質(zhì)在高溫氧氣環(huán)境下開始發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應(yīng)的時(shí)間，隨著老化的進(jìn)行，氧化誘導(dǎo)時(shí)間將呈現(xiàn)趨勢性變化。氧化誘導(dǎo)時(shí)間可通過dsc測試得到。2.7 絕緣電阻絕緣電阻指線圈漆包線與外部絕緣部件的電阻，線圈漆包線老化至壽命末期，絕緣將發(fā)生降級。絕緣電阻通過絕緣電阻儀測試得到1，測試時(shí)將線圈浸沒常溫水中（絕緣導(dǎo)線端部除外）進(jìn)行測試。3 實(shí)例分析以某核電廠核級電磁閥線圈為例，

7、對本文所提的敏感參數(shù)評估方法進(jìn)行說明。在實(shí)驗(yàn)室對核級電磁閥線圈開展老化試驗(yàn)，試驗(yàn)分兩組，1組采用115vac供電老化（樣本1），一組采用105vac供電老化（樣本2），兩組均老化12個(gè)周期，每個(gè)周期設(shè)置為通電10h，斷電1h。對核級電磁閥線圈各敏感指標(biāo)的測試結(jié)果及分析如下所示。3.1 外觀狀況外觀檢查發(fā)現(xiàn)，115vac樣本老化程度明顯高于105vac樣本，整個(gè)過程呈現(xiàn)逐漸老化，無法獲取外觀狀況性能趨勢指標(biāo)。但可根據(jù)裂紋大小、材料損失程度、氧化程度作為判廢指標(biāo)。3.2 直流電阻線圈漆包線直流電阻測試顯示，隨著老化程度加深，直流電阻呈現(xiàn)先降低后上升的現(xiàn)象，適合作為敏感性能指標(biāo)。由于老化時(shí)間未至壽命

8、末期，因此兩種應(yīng)力下指標(biāo)相差不大。3.3 線圈溫升線圈溫升測試顯示，線圈老化未至壽命末期，老化進(jìn)程中溫差不明顯，線圈溫升不適合做趨勢分析指標(biāo)。3.4 阻抗譜阻抗譜分析表明，隨著老化的進(jìn)行，存在多個(gè)敏感頻率點(diǎn)，阻抗幅值能區(qū)分老化的嚴(yán)重程度，適合作為敏感性能指標(biāo)。3.5 絕緣硬度塑封外殼硬度測試表明，硬度測量值隨老化進(jìn)程呈現(xiàn)趨勢性變化，適合作為敏感性能指標(biāo)。3.6 氧化誘導(dǎo)時(shí)間塑封外殼氧化誘導(dǎo)時(shí)間測試表明，隨著老化的進(jìn)行，氧化誘導(dǎo)時(shí)間總體上呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，適合作為敏感性能指標(biāo)。3.7 絕緣電阻線圈漆包線絕緣電阻測試表明，線圈老化未至壽命末期，絕緣電阻測試值趨勢不明顯，不適合作為敏感性能指標(biāo)，但

9、可作為判廢指標(biāo)。4 壽命評估方法根據(jù)第3章的實(shí)例分析，線圈直流電阻、阻抗譜幅值、絕緣硬度、氧化誘導(dǎo)時(shí)間可作為電磁閥線圈壽命分析的敏感性能指標(biāo)，外觀檢查、線圈溫升、絕緣電阻可用于定性判廢，不適合作為壽命評估參數(shù)。電磁閥線圈在出廠時(shí)給了推薦的更換壽命，該壽命為在規(guī)定運(yùn)行環(huán)境下能可靠運(yùn)行的保守時(shí)間，稱為截止壽命;但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況，電磁閥線圈的實(shí)際壽命，也稱終止壽命大于截止壽命。4.1 截止壽命評估方法截止壽命評估適用于已有固定更換壽命的電磁閥線圈，該壽命通過查詢廠家出廠試驗(yàn)報(bào)告或經(jīng)過一段時(shí)間的加速老化試驗(yàn)獲取。通過出廠試驗(yàn)報(bào)告或者老化試驗(yàn)后獲取截止壽命的敏感性能參數(shù)值，將該參數(shù)作為截止壽命判據(jù)。通

10、過加速老化試驗(yàn)獲取初始性能至截止參數(shù)的的壽命曲線，如第3章直流電阻等敏感性能參數(shù)擬合函數(shù)的反函數(shù);并尋找加速老化與正常老化的加速因子。4.2 終止壽命評估方法終止壽命分析適用于即將到達(dá)廠家推薦的截止壽命但性能狀態(tài)良好的電磁閥線圈，終止壽命由國家標(biāo)準(zhǔn)或國外研究機(jī)構(gòu)給出終止壽命判據(jù)，可通過加速老化試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定的終止壽命判據(jù)，獲取壽命曲線及加速老化因子。獲取敏感指標(biāo)壽命曲線及對應(yīng)的加速老化因子后，測試現(xiàn)場電磁閥線圈的敏感性能參數(shù)，將性能參數(shù)測量值與壽命曲線進(jìn)行對比，識別電磁閥線圈的性能狀態(tài)及剩余壽命。5 結(jié)論與建議通過本文表明，在核電廠運(yùn)行過程中，可通過測量直流電阻、阻抗譜、氧化誘導(dǎo)時(shí)間等敏感性能指標(biāo)有效跟蹤核級電磁閥線圈的老化狀態(tài)，在失效前采取糾正性行動(dòng)措施，減小非預(yù)期停機(jī)、停堆的概率，以及重大的經(jīng)濟(jì)損失。為保障核級電磁閥線圈的安全可靠運(yùn)行，提供如下行動(dòng)建議：（1）篩選核電廠的電磁閥線圈，將核安全相關(guān)電磁閥線圈作為重要管理對象，進(jìn)行主動(dòng)老化管理。（2）加速老化試驗(yàn)獲取核級電磁閥線圈的壽命曲線，并通過本文所述敏感性能指標(biāo)監(jiān)測